化肥減施下糞水替代對(duì)設(shè)施白菜氮利用與土壤氮盈余的影響

程娟，付莉，翟中葳，肖能武，楊柳，劉福元，杜會(huì)英*，杜連柱*，張克強(qiáng)

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所，天津 300191；2.十堰市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，湖北十堰 442000；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所，新疆石河子 832000）

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，蔬菜種植面積連年增長(zhǎng)，2019 年蔬菜種植面積已達(dá)到2 086 萬(wàn)hm2[1]，蔬菜產(chǎn)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，設(shè)施蔬菜栽培因具有反季節(jié)種植、復(fù)種指數(shù)和經(jīng)濟(jì)效益較高等特點(diǎn)發(fā)展迅速，目前設(shè)施蔬菜種植面積已達(dá)370 萬(wàn)hm2[2]。然而設(shè)施蔬菜種植具有高效益的同時(shí)，需要大量養(yǎng)分投入以滿足設(shè)施蔬菜生長(zhǎng)，過(guò)量施肥問(wèn)題十分突出，黃紹文等[3]的研究表明我國(guó)蔬菜肥料總用量普遍超量，設(shè)施蔬菜施用化肥養(yǎng)分量是農(nóng)作物的4.1 倍，化肥長(zhǎng)期高位運(yùn)行導(dǎo)致土壤中的存量巨大[4]，不僅降低了養(yǎng)分的利用率，而且有隨著灌溉和降水進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)，引起水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題[5]，嚴(yán)重制約了設(shè)施蔬菜的優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)。丹江口庫(kù)區(qū)長(zhǎng)期過(guò)度重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)功能，農(nóng)業(yè)面源污染嚴(yán)重，因此，如何優(yōu)化施肥，減少土壤養(yǎng)分的盈余量，提高蔬菜產(chǎn)量和肥料利用率，對(duì)庫(kù)區(qū)設(shè)施蔬菜可持續(xù)生產(chǎn)具有重要意義。

已有研究表明，適量減少化肥施用量能夠保證設(shè)施蔬菜產(chǎn)量[6]，提高蔬菜維生素C 和蛋白質(zhì)等含量[7]。張懷志等[8]的研究表明，減少農(nóng)戶常規(guī)化肥用量40%并施用有機(jī)肥，設(shè)施番茄產(chǎn)量和氮素吸收量顯著增加，氮損失量顯著降低，李銀坤等[9]的研究證實(shí)，減施氮量25%同時(shí)節(jié)水30%，可增加設(shè)施黃瓜-番茄產(chǎn)量、提高水氮利用效率。然而，過(guò)分減氮會(huì)降低作物產(chǎn)量、品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)將施氮量控制在目標(biāo)產(chǎn)量、作物品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效應(yīng)與土壤肥力均可接受的合理范圍內(nèi)[10]。氮素盈余是衡量氮素輸入的生產(chǎn)力、環(huán)境影響和土壤肥力變化的最有效指標(biāo)，能夠在一定程度上反映投入氮的利用效率[11]，作為氮素管理指標(biāo)之一被廣泛應(yīng)用。荷蘭規(guī)定農(nóng)場(chǎng)氮素盈余量為80 kg·hm-2·a-1，超過(guò)政府限定指標(biāo)時(shí)，農(nóng)民需要向政府交納盈余稅[12-13]。CHEN 等[14]建立了氮素盈余與損失之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。劉宏元等[15]得出冬小麥-夏玉米輪作周期氮素盈余量推薦值為30～70 kg·hm-2·a-1。LIANG 等[16]研究認(rèn)為，在優(yōu)化的水氮措施下，雙季稻周年氮素盈余量為129.7 kg·hm-2·a-1[16]。ZHANG等[17]建立了我國(guó)13 種作物體系的氮素盈余指標(biāo)，單作體系氮素盈余指標(biāo)平均為73 kg·hm-2，雙季輪作體系平均為160 kg·hm-2。

目前關(guān)于農(nóng)田氮素盈余的研究，大多集中在糧食作物上，缺乏化肥減施下糞水替代對(duì)設(shè)施蔬菜氮素盈余的研究。因此，本研究通過(guò)4 茬設(shè)施白菜田間定位試驗(yàn)，設(shè)置不施肥、常規(guī)施用化肥、減施化肥和減施下糞水替代5 個(gè)處理，研究對(duì)設(shè)施白菜鮮質(zhì)量、土壤全氮、無(wú)機(jī)氮及土壤氮素盈余等的影響，以期為丹江口水源涵養(yǎng)區(qū)種養(yǎng)結(jié)合提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在湖北省十堰市鄖陽(yáng)區(qū)譚家灣鎮(zhèn)設(shè)施大棚內(nèi)進(jìn)行，土壤為黃棕壤，試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)0～20 cm 耕層土壤理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)含量6.58 g·kg-1，pH 7.72，容重1.13 g·cm-3，全氮含量0.51 g·kg-1，硝態(tài)氮含量40.60 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量1.99 mg·kg-1，速效磷含量36.91 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理，分別為：對(duì)照處理（CK），白菜生育期內(nèi)不施用肥料；常規(guī)施肥處理（CON），白菜生育期施用蔬菜專用復(fù)合肥（18-8-18），N、P2O5和K2O施用量分別為351、156 kg·hm-2和351 kg·hm-2，底肥施用量占77%、蓮座期追肥施用量占15%、結(jié)球期追肥施用量占8%；化肥減施處理（RCF），N、P2O5和K2O施用量均較常規(guī)減施20%，施用時(shí)期與常規(guī)施肥處理相同；化肥減施替代處理（RFS23），底肥施用蔬菜專用復(fù)合肥，蓮座期和結(jié)球期追施豬場(chǎng)糞水，替代23%的化肥N、P2O5和K2O 用量，養(yǎng)分施用總量和時(shí)期與RCF 處理相同；化肥減施替代處理（RFS100），分別替代100%、24%和19%的化肥N、P2O5和K2O用量，養(yǎng)分施用總量和時(shí)期與RCF 處理相同。試驗(yàn)小區(qū)灌溉采用畦灌。每個(gè)處理重復(fù)3 次，小區(qū)面積6.72 m2，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)間用PVC板（40 cm寬）隔開(kāi)。

試驗(yàn)開(kāi)始于2017 年10 月，結(jié)束于2019 年12 月，共連續(xù)種植4 茬白菜，白菜株距為35 cm，行距為40 cm。試驗(yàn)用磷肥為P2O5（含量12%），鉀肥為K2O（含量51%）。豬場(chǎng)糞水取自設(shè)施大棚上游養(yǎng)殖場(chǎng)，該養(yǎng)殖場(chǎng)年出欄生豬約1 萬(wàn)頭，豬場(chǎng)糞水經(jīng)厭氧發(fā)酵后貯存在田間貯存池。糞水養(yǎng)分含量常年穩(wěn)定，理化性質(zhì)為pH 7.51，總氮含量773.00 mg·L-1，銨態(tài)氮含量702.00 mg·L-1，總磷含量19.10 mg·L-1，總鉀含量746.00 mg·L-1。

1.3 樣品采集與測(cè)定

土壤樣品采用“S”形5 點(diǎn)取樣法，取0～20、20～40 cm 土樣，同層次混合并裝在密封的塑料袋中，用于進(jìn)一步分析。產(chǎn)量計(jì)算采用全部小區(qū)稱質(zhì)量計(jì)產(chǎn)。每個(gè)小區(qū)選擇具有代表性的5 株白菜105 ℃殺青30 min，70 ℃下烘干至恒質(zhì)量，粉碎保存。

有機(jī)質(zhì)采用H2SO4-K2Cr2O7外加熱法測(cè)定，pH、土壤全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮等參考鮑士旦[18]的方法測(cè)定，采用凱氏定氮法測(cè)定植物全氮。

氮盈余為氮輸入量與作物氮輸出量的差值[17]，輸入氮包括化肥氮、糞水氮和灌溉帶入氮，其中蔬菜生長(zhǎng)期間灌溉水?dāng)y帶的氮參考龔世飛等[19]的數(shù)據(jù)，其余數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，作物氮輸出為白菜氮輸出。

氮盈余（N surplus，kg·hm-2）=氮輸入-白菜氮輸出；

氮素利用率（N use efficiency）=（施氮處理白菜地上部吸氮量-對(duì)照處理白菜地上部吸氮量）/施氮量×100%；

氮肥貢獻(xiàn)率（N contribution rate）[20]=（施氮處理白菜產(chǎn)量-對(duì)照處理白菜產(chǎn)量）/施氮處理白菜產(chǎn)量×100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2016軟件做圖，SAS 9.2軟件進(jìn)行單因素方差分析（One-way ANOVA），采用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 對(duì)設(shè)施白菜產(chǎn)量及氮素利用的影響

由表1 可知，隨著種植茬數(shù)的增加，CK 處理白菜產(chǎn)量呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。施肥處理4茬白菜產(chǎn)量顯著高于CK 處理；與CON 處理相比，RCF 處理4茬白菜產(chǎn)量差異不顯著；相同施氮量的3 個(gè)處理（RCF、RFS23 和RFS100）中，糞水替代處理（RFS23、RFS100）白菜產(chǎn)量均高于RCF處理，第一茬和第三茬白菜產(chǎn)量差異達(dá)到顯著水平，第二茬差異不顯著，第四茬RFS23 處理白菜產(chǎn)量顯著高于RCF 處理。適當(dāng)減施化肥不會(huì)顯著降低白菜產(chǎn)量，且糞水替代能夠提高白菜產(chǎn)量。

表1 化肥減施下糞水替代對(duì)白菜產(chǎn)量和氮素利用率的影響Table 1 Chinese cabbage yield and nitrogen use efficiency of different treatments

化肥減施下糞水替代可以提高白菜對(duì)所施氮的利用能力；從氮素利用率來(lái)看，化肥減施20%的RCF處理氮素利用率與CON 處理相比未顯著降低，RFS23和RFS100 處理之間差異不顯著，均顯著高于RCF 處理；從氮肥貢獻(xiàn)率來(lái)看，化肥減施替代處理（RFS23、RFS100）氮肥貢獻(xiàn)率較化肥施用處理（CON、RCF）有所提高，且RFS23處理顯著高于CON處理和RCF處理。

2.2 對(duì)土壤氮素的影響

第四茬白菜收獲后，土壤全氮含量如圖1 所示。各處理上層土壤（0～20 cm）全氮含量均高于下層土壤（20～40 cm）。上層土壤（0～20 cm）中，CON、RCF、RFS23和RFS100處理全氮含量顯著高于CK 處理，且無(wú)顯著性差異；下層土壤（20～40 cm）不同處理土壤全氮含量變化與0～20 cm 土層變化趨勢(shì)一致，RCF 處理土壤全氮含量比CON處理降低了5.2%，未達(dá)5%顯著水平，2 個(gè)化肥減施糞水替代處理土壤全氮含量差異不顯著。

由圖2 可知，4 茬白菜收獲后的土壤銨態(tài)氮累積量顯著低于硝態(tài)氮，且各處理之間的銨態(tài)氮累積量無(wú)顯著性差異。從土壤硝態(tài)氮累積量來(lái)看，CON 處理下，隨著種植茬數(shù)的增加，土壤硝態(tài)氮累積量增加，第四茬累積量顯著高于第一茬；RCF處理下土壤硝態(tài)氮累積量四茬之間差異不顯著；RFS23處理下土壤硝態(tài)氮累積量第四茬顯著高于前3 茬；RFS100 處理下第三茬土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于前2 茬。第一茬白菜收獲后，CON 處理土壤硝態(tài)氮積累量與化肥減施處理（RCF）之間差異不顯著，顯著高于CK 處理和化肥減施糞水替代處理（RFS23 和RFS100）；第二茬和第三茬白菜收獲后，施肥處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于CK處理，各施肥處理間差異不顯著；第四茬白菜收獲后，CON 處理土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于RCF處理，與RFS23和RFS100處理間差異不顯著。

2.3 對(duì)土壤pH和有機(jī)質(zhì)的影響

白菜收獲后，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07（圖3）。第一茬白菜收獲后，各處理土壤pH 值差異不顯著。第二茬白菜收獲后，施肥各處理之間pH 值差異不顯著，但均顯著高于對(duì)照處理。第三茬白菜收獲后，RFS23 和RFS100 處理土壤pH 值顯著高于CK處理，CON 處理和RCF 處理與CK 處理差異不顯著。第四茬白菜收獲后，各個(gè)處理之間土壤pH 值均差異不顯著。

4 茬白菜收獲后，土壤有機(jī)質(zhì)含量（0～20 cm）如圖4 所示。由圖可知，施肥增加了0～20 cm 土壤有機(jī)質(zhì)含量，在連續(xù)4 茬的種植中，CON、RCF、RFS23 和RFS100處理土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK 處理，且施肥處理間土壤有機(jī)質(zhì)含量無(wú)顯著性差異。不同茬次之間土壤有機(jī)質(zhì)變化較小，第一茬施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量介于11.24～12.80 g·kg-1，第二茬施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量介于11.91～12.24 g·kg-1，第三茬施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量介于11.76～12.85 g·kg-1，第四茬施肥處理土壤有機(jī)質(zhì)含量介于12.74～13.69 g·kg-1。

2.4 對(duì)土壤氮盈余的影響

0～40 cm 土層土壤-作物氮素平衡見(jiàn)表2，氮素輸出以白菜收獲后地上部氮含量計(jì)算，氮素輸入中，灌溉氮輸入量通過(guò)查閱文獻(xiàn)獲得[9]。就氮素輸出而言，設(shè)施白菜地上部氮含量在CK、CON和RCF處理下的變化趨勢(shì)與產(chǎn)量變化一致，CON和RCF處理間差異不顯著，但均顯著高于CK處理；兩個(gè)糞水替代處理白菜地上部氮含量之間差異不顯著，但均顯著高于化肥施用處理。

表2 土壤-作物系統(tǒng)氮素養(yǎng)分平衡（kg·hm-2）Table 2 N balance in soil-crop system in Chinese cabbage（kg·hm-2）

氮盈余分析結(jié)果顯示，施肥各處理的氮盈余顯著高于CK處理，各施肥處理中，RCF處理氮素盈余顯著低于CON 處理，相同施氮量的3 個(gè)處理中，RCF 處理氮素盈余量顯著高于化肥減施糞水替代的2 個(gè)處理（RFS23和RFS100），化肥減施糞水替代的2個(gè)處理氮盈余差異不顯著。相關(guān)分析表明，土壤氮素盈余量與土壤有機(jī)質(zhì)含量和土壤硝態(tài)氮累積量呈顯著正相關(guān)（r=0.64，r=0.68，圖5）。

3 討論

3.1 化肥減施對(duì)白菜產(chǎn)量的影響

根據(jù)黃紹文等[3]的研究統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的設(shè)施蔬菜施用氮肥量是推薦量的1.9 倍，主要露地蔬菜氮肥施用總量是推薦量的2.7 倍；魏宗強(qiáng)等[21]研究發(fā)現(xiàn)，大白菜-土壤體系的氮素表觀損失隨施氮量的增加而顯著增加，高施氮量導(dǎo)致高的氮素盈余，過(guò)量施肥會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。在一定范圍內(nèi)提高施氮量能提高白菜產(chǎn)量，超過(guò)范圍則白菜產(chǎn)量不再提高且可能會(huì)降低[22-24]，JENSEN 等[25]以壽光市為例指出，將氮肥用量減少50%并結(jié)合調(diào)節(jié)土壤碳氮比和滴灌能顯著增加設(shè)施蔬菜產(chǎn)量，在安徽巢湖地區(qū)減氮施肥15%能顯著提高設(shè)施番茄產(chǎn)量，均沒(méi)有降低產(chǎn)量且提高了氮肥利用率。也有研究指出[26]，用糞水替代30%的化肥氮未能顯著提高小麥產(chǎn)量，隨著糞水替代量的增加，小麥產(chǎn)量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，化肥減施20%條件下，白菜產(chǎn)量與常規(guī)處理無(wú)顯著差異；相同施氮量（281 kg·hm-2）條件下，化肥減施糞水氮替代23%和100%，4 茬白菜平均產(chǎn)量是化肥處理的1.18倍和1.13倍，同時(shí)可以提高白菜對(duì)所施氮的利用能力。而相較于化肥，豬場(chǎng)糞水水溶性有機(jī)質(zhì)含量比較高[27]，糞水替代化肥施用能更好地被作物利用從而提高作物產(chǎn)量[28]。

3.2 化肥減施對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響

施入土壤中的氮大部分硝化成為硝態(tài)氮，是作物吸收利用的主要形態(tài)[29]，較高的硝態(tài)氮含量可促進(jìn)作物的生長(zhǎng)；但高量施氮會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤中的氮進(jìn)入地下水或淋溶到深層土壤，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化、地下水硝酸鹽積累等[30-31]，因此，合理減氮是減少土壤硝態(tài)氮累積量直接而有效的途徑[32]。田雨等[33]的研究表明，土壤硝態(tài)氮累積量在白菜生長(zhǎng)后期較高，減氮處理降低了土壤硝態(tài)氮累積量，減少了氮素向下淋失的風(fēng)險(xiǎn)，本研究中，土壤中硝態(tài)氮積累量隨著種植茬數(shù)增多而增加，第四茬白菜收獲后，常規(guī)施肥處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于第一茬；RFS23處理土壤硝態(tài)氮累積量第四茬顯著高于前3 茬；RFS100 處理第三茬土壤硝態(tài)氮累積量顯著高于前2 茬，與第四茬差異不顯著。BASSO 等[34]的研究表明，長(zhǎng)期高量施肥會(huì)引起土壤硝態(tài)氮積累，進(jìn)而增加環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)。豬場(chǎng)糞水中含有一定量的有機(jī)態(tài)養(yǎng)分，施入土壤后存在礦化過(guò)程，開(kāi)始種植時(shí)土壤有效養(yǎng)分含量低于化肥處理，隨著種植茬數(shù)的增加，糞水中富含的腐植酸和生長(zhǎng)素等物質(zhì)促進(jìn)土壤膠體和團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成，加速土壤養(yǎng)分的分解、轉(zhuǎn)化和釋放，減少養(yǎng)分尤其是氮素的流失，進(jìn)而提高了土壤養(yǎng)分的供給水平[35]。長(zhǎng)期施用豬場(chǎng)糞水替代化肥對(duì)土壤硝態(tài)氮影響需進(jìn)一步研究。

3.3 化肥減施對(duì)土壤氮盈余的影響

研究農(nóng)田土壤-作物系統(tǒng)氮素平衡狀況，可為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供理論基礎(chǔ)。ZHU 等[36]指出量化氮盈余有利于提高氮利用率和減少氮損失，當(dāng)?shù)赜喔哂谧魑镂盏氐?0%或輸入氮素的17%時(shí)，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的氮素污染。BAI 等[37]認(rèn)為，肥料氮投入增加，相應(yīng)的氮盈余顯著增加，氮素長(zhǎng)期盈余會(huì)造成土壤無(wú)機(jī)氮積累，超出作物吸收部分的氮素會(huì)以氮素表觀損失和無(wú)機(jī)氮?dú)埩粜问綋p失，損失量與施氮量呈顯著正相關(guān)。寧建鳳等[38]的研究證明，減少化肥施用量，可降低土壤氮盈余量18%～48%。本研究中，施肥處理氮盈余從大到小依次表現(xiàn)為：CON＞RCF＞RFS100＞RFS23，化肥減施20%條件下，RCF處理較常規(guī)施肥處理氮盈余降低23.38%，化肥減施糞水替代處理氮盈余量比常規(guī)施肥處理降低了29.24%～30.65%。豬場(chǎng)糞水中的活性有機(jī)物質(zhì)可以促進(jìn)土壤對(duì)銨離子的吸附固定[39]，同時(shí)，在硝化細(xì)菌的作用下，施入土壤的豬場(chǎng)糞水氮將會(huì)轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮?dú)埩粼谕寥乐校黾油寥乐械牡V質(zhì)氮含量[40]。氮肥科學(xué)施用是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物增產(chǎn)提質(zhì)和減少氮素污染的重要方法[41]，氮盈余是衡量氮素投入及環(huán)境影響的有效指標(biāo)[11]，化肥減施及豬場(chǎng)糞水替代可降低土壤的氮盈余量，降低氮素?fù)p失，提高氮素利用率。

4 結(jié)論

（1）4 茬設(shè)施白菜種植過(guò)程中，化肥減施20%白菜產(chǎn)量較常規(guī)施肥未顯著降低。相同減氮20%條件下，糞水氮替代23%和替代100%處理的4 茬白菜平均產(chǎn)量是化肥處理的1.18 倍和1.13 倍?；蕼p施下糞水替代可以提高白菜對(duì)所施氮的利用能力，化肥減施20%下糞水氮替代23%和替代100%處理的氮利用率均顯著高于化肥施用處理，化肥減施20%下糞水氮替代23%處理氮素貢獻(xiàn)率顯著高于化肥施用的處理。

（2）4 茬白菜種植過(guò)程中，0～20 cm 土壤pH 值介于7.32～8.07；施肥增加了土壤有機(jī)質(zhì)的含量。隨著種植茬數(shù)的增加，0～40 cm 土壤硝態(tài)氮累積量呈增加趨勢(shì)，常規(guī)施肥氮盈余為288.34 kg·hm-2，化肥減施及減施糞水替代處理可以顯著降低土壤氮盈余。

（3）綜合考慮設(shè)施白菜產(chǎn)量、土壤無(wú)機(jī)氮和氮盈余等指標(biāo)，丹江口庫(kù)區(qū)可以在減施化肥的條件下進(jìn)行糞水替代，可進(jìn)一步提高設(shè)施白菜的氮利用率，減少土壤氮盈余量，減少農(nóng)業(yè)面源污染。